Управление многоспутниковыми космическими системами

 
 
 
 
 
 
А. Ю. Потюпкин 
 
 
 
 
 
 
УПРАВЛЕНИЕ МНОГОСПУТНИКОВЫМИ 
КОСМИЧЕСКИМИ СИСТЕМАМИ 
 
Монография 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2024 
 

УДК 629.78 
ББК  39.6 
П64 
 
 
 
Рецензенты: 
лауреат Государственной премии Российской Федерации  
имени Маршала Советского Союза Г. К. Жукова,  
доктор технических наук, профессор Васильев В. В.; 
лауреат Государственной премии СССР,  
доктор физико-математических наук, профессор Чечкин А. В. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Потюпкин, А. Ю. 
П64  
Управление многоспутниковыми космическими системами : монография / А. Ю. Потюпкин. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2024. - 
292 с. : ил., табл.  
 ISBN 978-5-9729-1695-5 
 
Излагаются методологические основы управления многоспутниковыми космическими системами как сложными гетерогенными избыточными системами. Вводятся реализуемые в практике управления космическими системами условия гомеостаза, ставится и решается задача управления многоспутниковой группировкой в условиях ресурсных ограничений, рассматривается содержание технологического цикла управления новым космическим объектом, предлагаются практические шаги по его реализации.  
Для научных работников и специалистов в области разработки и эксплуатации 
космических систем. Может быть полезно аспирантам и студентам, обучающимся по 
соответствующим специальностям. 
 
УДК 629.78 
ББК 39.6 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1695-5 
” Потюпкин А. Ю., 2024 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 

СОДЕРЖАНИЕ 
 
Список основных сокращений 
................................................................................... 5 
Предисловие 
................................................................................................................. 8 
Введение ..................................................................................................................... 11 
Глава 1. Космические системы как пример сложных систем 
............................... 15 
1.1. Базовые понятия теории систем ................................................................... 15 
1.2. Понятие системы как средства структурирования сложных объектов .... 19 
1.3. Управление системой 
..................................................................................... 38 
1.4. Назначение и структура космической системы .......................................... 42 
1.5. Обобщённая техническая структура космического аппарата ................... 57 
1.6. Особенности малоразмерных космических аппаратов .............................. 64 
1.7. Управление космическими системами ........................................................ 70 
1.8. Реализация технологического цикла управления ....................................... 86 
Выводы по главе 
.................................................................................................... 94 
Глава 2. Теоретические основы обеспечения устойчивости функционирования 
многоспутниковых космических систем ................................................................ 96 
2.1. Космическая индустрия и ноосфера ............................................................ 96 
2.2. Космические системы - основа современной техносферы ..................... 106 
2.3. Проблемные вопросы создания многоспутниковых орбитальных  
группировок на базе малоразмерных космических аппаратов ...................... 130 
2.4. Перспективные сервисы многоспутниковых космических систем ........ 136 
2.5. Обеспечение устойчивости функционирования многоспутниковых  
космических систем на основе концепции гомеостаза ................................... 156 
2.6. Моделирование процесса самоорганизации избыточных систем  
на основе концепции гомеостаза ....................................................................... 172 
Выводы по главе 
.................................................................................................. 177 
Глава 3. Методологические основы управления многоспутниковыми  
космическими системами ....................................................................................... 178 
3.1. Особенности управления многоспутниковыми космическими  
системами 
............................................................................................................. 178 
3.2. Общее решение задачи управления многоспутниковой орбитальной  
группировкой ....................................................................................................... 192 
3.3. Алгоритм формирования рабочих структур при управлении  
многоспутниковой орбитальной группировкой 
............................................... 199 
3.4. Решение задач анализа состояния многоспутниковой орбитальной  
группировки ......................................................................................................... 210 
3.5. Моделирование функционирования многоспутниковых 
космических систем ............................................................................................ 224 
3.6. Основы интеллектуализации систем анализа состояния  
многоспутниковых космических систем .......................................................... 234 
3.7. Анализ обеспечения пропускной способности наземного  
комплекса управления ........................................................................................ 247 
 
3 

3.8. Кластеры малоразмерных космических аппаратов  
как новый тип космических объектов 
............................................................... 251 
3.9. Пример реализации технологического цикла управления кластером  
для целевого эффекта стереосъёмки ................................................................. 263 
3.10. Предложения по реализации технологий управления  
многоспутниковыми группировками космических аппаратов ...................... 267 
Выводы по главе 
.................................................................................................. 279 
Заключение 
............................................................................................................... 280 
Список литературы ................................................................................................. 282 
4 

СПИСОК ОСНОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ 
 
АСУ 
автоматизированная система управления 
АТ 
абонентский терминал 
АФАР 
активная фазированная антенная решетка 
БА 
бортовая аппаратура 
БВС 
бортовая вычислительная система 
БИТС 
бортовая ИТС 
БКУ 
бортовой комплекс управления 
БП 
базовый продукт 
БС 
бортовые системы 
БСА 
бортовая специальная аппаратура 
БЦВК 
бортовой цифровой вычислительный комплекс 
БШВ 
бортовая шкала времени 
ВП 
временная программа 
ВЭО 
высокоэллиптическая орбита 
ГИО 
геоинформационное обеспечения  
ГИС 
геоинформационная система 
ГСО 
геостационарная орбита 
ДЗЗ 
дистанционное зондирование Земли 
ДНА 
диаграмма направленности антенны 
ДО 
динамическая операция 
ЕКИС 
единая космическая информационная система 
ЕСПД 
единое сплошное динамическое покрытие 
ЕТРИС 
единая территориально распределённая информационная система 
ЗРВ 
зона радиовидимости 
ЗУ 
запоминающее устройство 
ИЗС 
избыточная система  
ИИ 
искусственный интеллект 
ИК 
инфракрасный 
ИКК 
измерительный комплекс космодрома 
ИОК 
информация обобщенного контроля 
ИП 
измерительный пункт 
ИС 
интеллектуальная система 
ИТНП 
измерение текущих навигационных параметров 
ИТО 
информационно-телеметрическое обеспечение 
КА 
космический аппарат 
КГЧ 
космическая головная часть 
КДУ 
корректирующая двигательная установка 
КИП 
командно-измерительный пункт 
КИС 
командно-измерительная система 
КНС 
космическая навигационная система  
КПИ 
командно-программная информация 
5 

КПО 
командно-программное обеспечение 
КС 
космическая система 
КСН 
космическая система наблюдения 
КСС 
космическая система связи 
КЭК 
контрольно-эталонный комплекс 
МЛС 
межспутниковая линия связи  
МИК 
монтажно-испытательный комплекс 
МКА 
малоразмерный космический аппарат 
МОГ 
многоспутниковая орбитальная группировка 
НАКУ 
наземный автоматизированный комплекс управления 
НАП 
навигационная аппаратура потребителя 
НБО 
навигационно-баллистическое обеспечение 
НВО 
навигационно-временное обеспечение 
НКА 
навигационный космический аппарат 
НКУ 
наземный комплекс управления 
НПРС 
наземная приёмно-регистрирующая станция 
НСК 
наземный специальный комплекс 
НСЭН 
научное и социально-экономическое назначение 
НУ 
начальные условия 
НЦ ОМЗ Национальный центр оперативного мониторинга Земли 
НШС 
нештатная ситуация 
ОГ 
орбитальная группировка 
ОМ 
объект мониторинга 
ОУ 
объект управления 
ОЭН 
оптико-электронное наблюдение 
ПДС 
постоянно действующие системы 
ПМО 
программно-математическое обеспечение 
ПрОЗУ 
программа оперативного запоминающего устройства 
РБ 
разгонный блок 
РД 
руководящая документация 
РК 
разовая команда 
РКК 
ракетно-космический комплекс 
РКН 
ракета космического назначения 
РКТ 
ракетно-космическая техника 
РЛС 
радиолокационная станция 
РМВ 
реальный масштаб времени 
РН 
ракета-носитель 
РП 
рабочая программа 
РСА 
радиолокатор с синтезированной апертурой 
РТ 
рабочее тело 
РТС 
радиотехническая система 
СБ 
солнечные батареи 
СВ 
сверка времени 
6 

СВЧ 
сверхвысокие частоты 
СЕВ 
система единого времени 
СЗБ 
сборно-защитный блок 
СИО 
система информационного обмена 
СК 
стартовый комплекс 
СПП 
система первичного преобразования 
СОИ 
система обработки информации 
СОС 
система ориентации и стабилизации 
СОУД 
система ориентации и управления движением 
СПД 
система передачи данных 
СР 
спутник-ретранслятор 
СрВ 
средства выведения 
СТК 
система телеметрического контроля 
СПФ 
состояние правильного функционирования 
ССС 
спутниковая система связи 
СТР 
система терморегулирования 
СУ 
система управления 
СУД 
система управления движением 
СФО 
состояние функционирования с ограничениями 
СЭ 
системный эффект 
СЭП 
система энергопитания 
ТК 
технический комплекс 
ТМИ 
телеметрическая информация 
ТМП 
телеметрические параметры 
ТЦУ 
технологический цикл управления 
ФП 
функция принадлежности 
ФРЛ 
фидерная радиолиния 
ЦД 
цифровой двойник 
ЦУП 
центр управления полётом 
ЦЭ 
целевой эффект 
ЧВИ 
частотно-временная информация 
ЧВО 
частотно-временное обеспечение  
ШВ 
шкала времени 
ШС 
шлюзовая станция 
ЭРД 
электрореактивный двигатель 
ЭТД 
эксплуатационно-техническая документация 
ЭС 
экспертная система 
ЭЭ 
электроэнергия 
 
 
 
7 

ПРЕДИСЛОВИЕ 
 
«Ибо, где сокровище ваше, 
 там будет и сердце ваше» 
Евангелие от Матфея 6:21 
 
Сокровище страны - это её миссия как сплав идей и путей их реализации. 
Величие идей определяет величие страны. Идея освоения космоса, выхода за 
пределы земной атмосферы, полёта ввысь в безбрежность и вечность очень 
близка нашему народу, стране с её традиционным менталитетом, во многом 
связанным с православным мироощущением, с идеей «вечной жизни», очень 
созвучной «бесконечному космосу». Именно поэтому наша страна первой осуществила запуск первого искусственного спутника Земли, вывела человека в 
космос, осуществила первый выход в открытый космос, создала первую долговременную орбитальную станцию. Для достижения этих целей была создана 
мощная ракетно-космическая промышленность, являющаяся основой самоуважения страны и её оборонного потенциала.  
Но глобальные изменения в мире и стране на рубеже ХХ-ХХI веков привели к разрушению государственного оплота этой идеи - СССР, разрушению 
промышленности, и, главное, к смене основной идеи - вместо мечты, стремления в космос, основной идеей стала рациональность, основанная на достижение 
сиюминутных благ. Интеллект сменил приоритеты - лучшие «мозги» шли не в 
промышленность, не в созидание материальных благ, а в юриспруденцию, экономику, развлекательную индустрию, в лучшем случае в IT-индустрию.  
Во многом это связано со сменой экономических укладов - индустриальная 
экономика ушла, пришла постиндустриальная, за ней новая, в основе которой 
био- и нанотехнологии, жизнь не стоит на месте, но факт остаётся фактом - 
прибыль заслонила мечту. 
До недавнего времени состояние отечественной ракетно-космической отрасли вызывало сожаление. Несмотря на все усилия, бурную организационную 
деятельность, непрерывные административные реформы - «по плодам узнаете 
их». Плодов, к сожалению, было мало. Россия сегодня находится только  
на 4 месте в мире по составу орбитальной группировки. Но последние события, 
связанные с осознание простого факта «быть или не быть», возвращают былое 
значение слову «созидатель» - созидатель нужен стране, независимо от политических, экономических и других факторов. Сказанное в полной мере относится и к области космонавтики.  
Несмотря на то, что эпоха цитирования речей руководителей в качестве 
неоспоримых аргументов ушла в прошлое, следует обратить внимание на слова 
Гендиректора Роскосмоса Юрия Борисова, которые очень наглядно поясняют 
сложившееся положение дел и перспективы развития космической инфраструктуры [Цит. по 63]. 
«С тем количеством спутников, которое у нас сейчас на орбите, мы не можем в полной мере обеспечить страну космическими услугами - связью, навигацией, дистанционным зондированием Земли, прогнозом погоды и так далее.  
8 

Скажем так, мы «проспали» переход на индустриальную модель производства 
спутников. Исторически мы всегда больше внимания уделяли пилотируемой 
космонавтике. До сих пор тратим на нее 35  средств, в то время как Европа  
и США - 16-18 . Внешний мир более рациональный в этом плане. Они делали 
больший упор, в том числе финансовый, на создание спутниковых группировок… 
К тому же мы строили, в основном, тяжелые спутники, которые запускались на высокие орбиты, где достаточно серьезные требования к элементной 
базе (использование класса space) и срокам активного существования. Дорогой 
спутник должен отработать свое. А из-за высоких орбит бывает определенная 
задержка в предоставлении услуг, например, связи… 
Другие страны снижали орбиты и наращивали количество спутников в 
группировке, упрощая требования к ним и делая их более дешевыми. Надежность предоставления услуги стала определяться надежностью не одного аппарата, а всей спутниковой группировки, которая может содержать несколько сотен, иногда тысяч спутников. И выход из строя одного, пяти, десяти уже не 
критичен. Это принципиально другой подход. Но для этого нужно изменить 
производственную модель - выпускать спутники серийно, пополнять группировку. 
Соответственно, это уже другая экономика - во всем мире перешли к разработке спутников под заданную стоимость. По факту это потребовало смены 
всей индустриальной модели, как в других отраслях. Одно дело - собирать автомобиль в кружке «Умелые руки» в одном экземпляре, другое - поставить его 
на конвейер. То есть это вопросы стандартизации, унификации, сокращения типажа используемой элементной базы, без которых на серийное производство не 
выйти. 
Мы к этой модели практически не были готовы. У нас все предприятия исторически разрабатывали спутники со своей кооперацией, со своими подходами. Наверно, это было правильно, чтобы обеспечивать конкурентное преимущество в условиях искусственной конкуренции в Советском Союзе. У нас есть 
несколько центров по созданию спутников. Основной из них, который создал 
две трети всех спутников, - это ИСС имени Решетнёва со своей кооперацией. 
Они сделали навигационные спутники системы ГЛОНАСС, спутники связи и 
цифрового телевидения. Наукой, как правило, занималось НПО имени Лавочкина, метеоспутниками - ВНИИЭМ, спутниками дистанционного зондирования 
Земли - РКЦ «Прогресс». 
И каждый имел свои подходы, платформы, кооперацию и технические решения. Спутник от спутника отличается, тиражирование в такой ситуации невозможно. Плюс сроки у стапельной сборки длительные. Как она происходит" 
Вот платформа, на неё начинают монтировать оборудование, монтируют, монтируют, дошли до определённого момента, что-то вышло из строя. Все демонтируют, отсылают на завод-изготовитель, ждут, когда придёт обратно. В среднем, срок производства спутника 15-18 месяцев. При таком подходе о серийном производстве говорить нельзя. Это совершенно другая индустрия. Логи9 

стика поставок комплектующих, технологический процесс - все совершенно 
по-другому. 
Задумывались ли об этом" Конечно. И до меня задумывались, потому что 
жизнь заставила, когда Европа с Америкой ввели санкции. Они нас с распростёртыми объятиями в 1990-е годы приняли в свой клуб, обеспечили доступ к 
широкой номенклатуре элементной базы. Мы перестали развивать своё производство, а они потом стали закручивать гайки. Хорошо, что мы это поняли немного раньше, чем случилась специальная военная операция. Стали задумываться о сокращении номенклатуры элементной базы. Одно дело импортозамещать номенклатуру в 30 тысяч номиналов, другое - в тысячу. Раньше каждый 
инженер мог выбирать в интернете, что ему наиболее приемлемо для своей 
схемы…. 
Я выяснил, что все предприятия Роскосмоса теоретически могут выпускать 
42 спутника в год. А по факту из-за ограничений финансирования и срывов 
сроков выпускают 15-17. 
Производственные мощности Соединённых Штатов по темпам того же самого SpaceX - где-то под тысячу спутников в год. У китайцев мне известно о 
четырёх заводах суммарной мощностью примерно 450 в год. А у нас 42. Если 
нам ничего не менять, то к 2030 году мы выйдем на космическую группировку 
где-то 360 спутников. Вроде, много по сравнению с сегодняшними 190. Но тогда с сегодняшних 3,5  от объёма космических услуг на мировом рынке мы 
упадём до 0,5 . Индия, которая сегодня серьёзно отстаёт от России, обгонит 
нас по количеству спутников в пять раз, не говоря об Америке, Европе и Китае. 
Чтобы оставаться в рынке, минимальная орбитальная группировка России, по 
мнению наших специалистов, к 2030 году должна быть 1000-1200. И чтобы вытянуть такие темпы, надо сегодня кратно наращивать производство. Где-то на рубеже 2025 года выйти на 250 спутников в год, а к 2030-му - на спутник в день». 
Итак, логика развития отечественной космонавтики руководством Роскосмоса обозначена ясно. Поставлены задачи по созданию в короткий срок полноценных орбитальных группировок КА, развёртыванию многоспутниковых космических систем нового поколения, организации их эффективного применения 
и управления. И эти задачи надо решать.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
10